3.2. Методы исследований кинематики течений

Непременным требованием при организации и постановке исследований течений в водоеме, на гидравлической модели водоема и на лабораторной установке любого типа является учет возможного диапазона пространственных и временных масштабов явлений, выбор наиболее подходящих измерительных средств и способов их установки на вертикали или в точке, оценка продолжительности и дискретности регистрации изучаемых характеристик, выбор наиболее эффективной методики обработки данных экспериментов и решение других сопутствующих вопросов. В натурных условиях, например, изменчивость течений может обусловливаться, с одной стороны, мелкомасштабными вихрями с поперечными размерами порядка нескольких сантиметров и периодами порядка долей секунды, а с другой стороны, циркуляциями, охватывающими весь водоем или его отдельные участки и имеющими поперечные размеры до нескольких десятков километров, а периоды — до нескольких суток.

Общая продолжительность регистрации течения, по существующим представлениям [13, 24], должна в несколько (7—10) раз превосходить период колебаний явления, изучаемого с целью определения статистических и спектральных характеристик при избранных условиях действия системы переноса вод. Для получения надежных режимных характеристик ряд измерений должен удовлетворять следующим требованиям: а) общее число членов ряда должно быть достаточным для вычисления таких статистических параметров, как коэффициенты асимметрии и вариации; б) измерениями должны охватываться все фазы гидрологического режима водоема, например фазы подъема, спада и стабилизации уровня; в) ряды должны, быть репрезентативными и однородными в статистическом отношении.

Опыт исследования течений показывает, что наиболее эффективным способом организации наблюдений во внутренних водоемах является сочетание длительной непрерывной регистрации

с регулярными и эпизодическими наблюдениями на отдельных вертикалях или съемками по створам. Вертикали для осуществления регистрации и наблюдений при этом должны располагаться в характерных местах водоема. При изучении, например, сейшевых течений вертикали целесообразно располагать в узловых створах и в местах сужения водоема, а при изучении ветровых течений — на прямолинейных участках наветренных берегов, причем как в зонах обширных расширений водоема, так и в сужениях.

Длительную непрерывную регистрацию течений в водоеме можно осуществлять такими приборами, как БПВ-2, ЭСТ, АЦИТТ [63, 164]. Эти приборы должны закрепляться на относительно неподвижном основании: на установленной на дне треноге или пирамиде, подтопленном буе, забитой в дно свае и т. п. [63, 144].

С целью установления связей между течениями в соседних точках самописцы течений располагают группами, например в вершинах треугольника или многоугольника с заданными размерами сторон. Такой способ размещения приборов называют измерительным полигоном.

Регулярные и эпизодические измерения течений на отдельных вертикалях можно осуществлять такими приборами, как ВММ [63, 164], ГР-42 [63], глубинные поплавки [144]. ВММ и ГР-42 могут обеспечить получение надежных сведений только в случае отсутствия колебаний и рысканий судна, с которого осуществляют измерения, и при измерениях на горизонтах, не охваченных волновыми колебательными движениями.

В практике морских исследований используют поплавки нейтральной плавучести, вводимые в поток радиоактивные вещества, микровертушки, термоанемометры и измерительные преобразователи, регистрирующие колебания давления в потоке, электрической или магнитной проводимости [230].

Приемлемые разовые измерения течений могут быть выполнены глубинными и поверхностными поплавками различной конструкции. Предпочтение отдается тем из свободноплавающих или привязных поплавков, которые меньше, чем другие, подвержены влиянию ветра и других искажающих факторов [144].

В лабораторных условиях течения разных видов можно изучать на пространственных гидравлических моделях конкретных водных объектов, на схематизированных гидравлических моделях и аэрогидравлических установках разных типов (рис. 3.1).

На пространственных гидравлических моделях скорости воспроизводимых ветровых и сейшевых течений обычно составляют доли сантиметра в 1 с. Такие течения удается измерить поплавками разной конструкции, термоанемометрами [34, 87] или по движению подкрашенной жидкости [185].

В практике лабораторных изучений различных динамических явлений, особенно таких, как ветровое волнение и ветровые течения, сейши, сгоны-нагоны уровня, широко используют аэрогидравлические установки, подобные изображенной на рис. 3.1. Главной конструктивной чертой такой установки является возможность

(кликните для просмотра скана)

воспроизведения динамических явлений, происходящих в водоемах, возможность визуальных наблюдений за происходящими процессами (через остекленные боковые стенки) и фиксации этих процессов методами фото- и киносъемки вводимых в поток частип нейтральной плавучести [81, 174] или другими измерительными средствами. На установках рассматриваемого типа были получены приведенные выше сведения по вертикальной вихревой структуре течений и траекториям волновых движений частиц, а также приводимые ниже сведения по кинематике и турбулентности течений.

В качестве частиц нейтральной плавучести в экспериментах ГГИ использовались предварительно откалиброванные частицы сополимера. Частицами «насыщался» весь циркулировавший внутри лотка поток.

Киносъемка частиц осуществлялась обычно киноаппаратом КСР-1М «Конвас». Для получения полей скорости вертикальная осевая плоскость аэрогидравлического лотка освещалась фонарем щелевого света. Съемкой охватывалась вся толща потока на протяжении 2—10 глубин (вдоль продольной оси лотка) или какой-либо из выбранных слоев потока (придонный, поверхностный или центральный).